浅谈路灯的接地故障保护措施

   2015-04-11 互联网19110
核心提示:路灯线路末端的零保电阻RNP等于常温的相保电阻RφP常 ,而TN-S系统可按实测零保电阻RNP值,判断能否及时切断接地故障。路灯的联网TT系统则按二个接地电阻的比值,判断故障点电压是否安全。
 路灯线路末端的零保电阻RNP等于常温的相保电阻RφP常 ,而TN-S系统可按实测零保电阻RNP值,判断能否及时切断接地故障。路灯的联网TT系统则按二个接地电阻的比值,判断故障点电压是否安全。末端单相短路电流简化计算的误差一般小于3.4% 。电缆的相保电阻Rφp ,就是相线电阻与保护线电阻。已建成线路,用分段保护能及时切断接地故障。
路灯接地
一、检查和判断
 (一)TN-S接零保护系统:
    在路灯线路的末端,测量零(N)线与接地线(PE)间的电阻RNP,简称零保电阻。
1TN-S接零保护系统
(二)路灯的联网TT系统:
    在路灯变电站,测量零(N)排的接地电阻RNE ,和接地(PE)排的接地电阻RPE ,
    1.如6×RPE <RNE , 则故障点对地电压小于33伏的潮湿环境安全电压。
2.如 RPE <0.5欧,则接地故障时,杆根熔断器以后线路能自动断开。
2路灯的联网TT系统
达到这二项要求之一的线路,是比较安全的线路。
 
    二、判断的理由:
   (一)TN-S接零保护系统:
    如图一所示,在路灯线路末端测量N线端与PE线端间的电阻,记为RNP。在始端测量N排与PE排间的电阻,记为RN始P始(N排与PE排断开,且末端N与PE连接),见图二。
    用RN表示零线从始端到末端的电阻,用RP表示PE排与PE线末端间的等效电阻,  则RNP=RN + RP 
      而RN始P始=RP + RN
    所以   RNP=RN始P始      ……(1)
3TN-S接零保护系统
 等截面电缆零线与相线的截面相同,在始端测量相线与PE线间的电阻(末端相线与PE线连接),记为RφP常,见图三。
    在路灯没有启辉时,有 
      RφP常=RN始P始       ……(2) 
    代入(1)式, 
    得       RNP=RφP常      ……(3)
    就是说,TN-S系统在末端测量N与PE间的电阻RNP,是末端单相接地时常温的相保电阻RφP常。由于短路时的电流较大,导线会发热升温,RNP的值要增加50%,于是计算末端单相短路电流的相保电阻RφP.L 。 
4电阻
   PE排上有很多PE线,且PE排与PE线末端之间还有很多接地极,所以PE线末端与PE排间的等效电阻RP要比PE线电阻小。如果实测零保电阻 RNP,比计算的N线加PE线的电阻大,则PE线可能有断点。PE线不应有断点,竣工时可用这个方法查验有无断点。 
   (二)路灯的联网TT系统:
    1. 如果做到  6×RPE < RNE 
    见图四,发生接地故障时,相线与PE线接通,电源电压U=220伏加在PE线(图中的P点)与变压器中性点N之间(忽略相线电阻),即加在二个串联的电阻RPE 
和RNE 上。PE线对地电压UPE 与变压器中性点对地电压U零地之和等于电源电压220伏。
5路灯的联网TT系统
  这个结果说明,接地故障时PE线对地电压UPE ,小于潮湿环境的安全电压33伏。
    2.如果做到RpE < 0.5欧
    设变压器接地电阻RNE < 4欧 ,相线电阻按1欧计,总回路电阻将小于0.5+4+1=5.5欧。短路电流将大于220÷5.5欧=44安,灯杆根部熔断器的熔丝额定电流都小于10安培,都能在5秒内熔断。
    所以路灯的联网TT接地保护系统,如做到以上二个条件中的一个,就比较安全。
    三、末端短路电流的简化计算
   (一)单相接地短路电流计算式
    路灯线路如单相接地,一相电压为零,另二相不为零,该处的三相电压不对称。用对称分量法分析后,TN接地系统低压单相接地故障电流Ik”,可在设计手册中查出其计算式是: 
7单相接地短路电流计算式
下标φ表示相,P表示保护线,φP表示相保,
    (1)表示正序,(2)表示负序,(0)表示零序,S  表示系统, T  表示变压器,m 表示母线,L表示低压线路。
    按(7)式计算短路电流,要计算正序、负序、零序的电阻和电抗,要计算电缆的相保电阻和电抗,还要算变压器、母线和系统的相保电阻和电抗。
   (二)简化计算
    路灯线路末端短路电流计算,是用最小短路电流来校验熔丝或断路器,能否在规范规定的时间(例如5秒)内,断开接地故障。
    1.简化计算式:
    简化计算式是只算路灯低压线路的电阻Rφp.L,忽略其电抗及其它阻抗,即按(8)式计算单相接地短路电流Ik”。
8简化计算式
    2.简化计算的误差
    从电源到末端的路灯线路电阻相对来说比较大,忽略线路的电抗以及变压器、母线和系统的阻抗,产生的误差比较小,而对接地故障的分析和判断,却方便得多。下面用有代表性的路灯配电系统,分析简化计算所产生的误差。
    设系统短路容量10MVA,变压器容量100kVA,其联结组别为D,yn11,母线用铜排,规格是4(80×10),长3米,间距D=250mm,线路用25mm2的铜芯电缆,配电半径500米。
   (1)算系统阻抗
    查10kV配电工程设计手册(下同)表10-26,10MVA的系统阻抗为
    Rφp.S=1.06 mΩ ,Xφp.S=10.61 mΩ ,
   (2)算变压器阻抗
    查表10-28,100kVA的正序阻抗为
    R(1).T=25.6 mΩ ,X(1).T=58.7 mΩ ,
    表10-28的注1中,有个说明,即:……,D,yn11连接的变压器的零序和相保阻抗数值,与表中的R(1)、X(1)相等。所以
    Rφp.T=25.6 mΩ ,Xφp.T=58.7 mΩ ,
   (3)算母线阻抗
    查表10-31,母线的阻抗为   Rφp′=0.04 mΩ/m ,Xφp′=0.361 mΩ/m ,
    长3米的母线阻抗为
                        Rφp.m=0.12 mΩ,    Xφp.m=1.08 mΩ ,
   (4)算电缆阻抗
    查表10-32,等截面25mm2电缆的相保电阻为   Rφp′=2.106 mΩ/m ,全塑电缆相保电抗为   Xφp′=0.164 mΩ/m ,500米电缆相保阻抗为
    Rφp.L=500×2.106=1053 mΩ=1.053 Ω,
    Xφp.T=500×0.164=  82 mΩ=0.082 Ω。
   (5)算总阻抗ZφP
     Rφp=Rφp.s+ Rφp.T+ Rφp.m+ Rφp.L=1.06+0.12+25.6+1053=1079.78 mΩ=1.08 Ω  ,
     Xφp=Xφp.s+ Xφp.T+ Xφp.m+ Xφp.L=10.61+1.08+58.7+82 = 152.39 mΩ=0.152 Ω  ,
(6)简化计算的误差分析
10简化计算的误差分析
就是说,电缆相保电阻Rφp.L占整个阻抗Zφp的96.6%。
    只算电缆电阻,忽略其电抗和其它阻抗的简化计算,误差为3.4% 。
    实际使用的系统短路容量大于10MVA,阻抗较小,计算误差将小于3.4%,实际使用的变压器容量大于100kVA的,阻抗较小,计算误差将小于3.4%,小于100kVA的,阻抗较大,误差要大一些。
    实际使用的路灯箱式变电站母线,不会大于3米,计算误差将小于3.4%,路灯电缆一般不比25mm2大,电阻较大,所以一般计算误差将小3.4%  。路灯电缆长度小于500米的线路,电阻较小,误差会加大,不宜用简化计算式计算。
    四、电缆的阻抗ZφP.L 
   (一)电缆阻抗的组成分析
    图五表示了中性点直接接地的低压网络。其中A、B、C为相线,N为中性线或PE线。
11电缆阻抗的组成分析
当发生三相短路时,中性线中没有短路电流。所以在三相短路电流的计算中,只需考虑相线的参数。在一般情况下,三根相线的电阻r和自感L是相同的,在电缆中,其互感Mab、Mbc、Mca也相同,取为M,
    即M=Mab=Mbc=Mca ,
    三相短路时,其正序压降Ua1、Ub1、Uc1和正序短路电流Ia1、Ib1、Ic1应满足以下关系。
12三相短路时
当发生单相短路时,短路电流将通过PE线,设PE线的电阻为r0,自感为L0,PE线与各相线的互感分别为Ma0、Mb0、Mc0 ,在电缆中,设Ma0=Mb0=Mc0=Mφp 。
    当单相短路时,网络的零序电压应满足如下的关系式:
   
(13)式中第一项为故障相自阻抗压降,第二、第三项为另外两相对故障相的互感压降,第四项为PE线电流(3I0)对故障相的互感压降,因PE线的电流与故障相中电流的方向相反,故该项取负号。第五项为PE线的自阻抗压降,第六项为三条相线对PE线的互感压降,因相线中电流方向与PE线电流方向相反,故该项取负号。
 
(二)分析结果
    (15)式说明,计算单相接地短路电流时,电缆的电阻就是相线的电阻与PE线的电阻,电缆的电抗就是相线的自电抗,减去相线与PE线间互感抗的2倍。
    考虑到短路时,导线会发热,电阻值应取20℃电阻的1.5倍。
    五、分段保护
    要及时切断接地故障,必须有足够大的短路电流,要增加短路电流,主要靠减小配电半径或加大电缆的截面。而增加接地极,降低接地电阻,当然是更有利的。已建成线路,难改变配电半径和换大电缆截面,宜用分段保护来及时切断故障。
    路灯负荷多数为沿线均匀分布,始端的电流大,越往末端电流越小,最后一根杆就只有一组灯,电流最小。因此,沿线可以逐段减小串接熔丝或断路器的额定电流,最后一根杆用最小的熔丝,中间用稍大一点的熔丝,这样逐段都能及时切断故障,整条线路也就都做到了及时切断故障。
 
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